Оптико-акустическая томография поглощающих объектов в рассеивающей среде многоэлементной фокусированной антенной, страница 2

Наиболее успешным в этой области на сегодняшний день является методмагнитно-резонанснойтермометрии,которыйпозволяетизмерятьраспределениетемпературы в ткани во время ультразвукового воздействия, однако непосредственновизуализировать разрушенную область данный метод не позволяет. Таким образом,разработка новых методов визуализации области термического разрушения, вызванноговоздействием HIFU, является актуальной задачей. Возможность применения ОА томографиидля ее решения зависит, в первую очередь, от соотношения коэффициентов поглощениялазерного излучения в исходной и коагулировавшей биотканях. Кроме того, амплитудавозбуждаемогоОАсигналазависитотэффективностиоптико-акустическогопреобразования, которая, в свою очередь, может зависеть от температуры среды. Измерениеэтой зависимости помогло бы ответить на вопрос о потенциальной возможности примененияОА томографии для контроля температуры при воздействии HIFU.Итак, целью настоящей работы является:Численное и экспериментальное исследование различных аспектов двумерной оптикоакустической томографии поглощающих объектов в рассеивающей среде многоэлементнойфокусированной антенной, а также разработка метода количественного решения обратнойзадачи двумерной оптико-акустической томографии в этом случае.5Задачи, решаемые в данной работе, можно сформулировать следующим образом:1.

Разработка и экспериментальная проверка метода численногоакустическихсигналов,возбуждаемыхимпульснымрасчета оптико-лазернымизлучениемврассеивающей среде, содержащей поглощающие неоднородности, и регистрируемыхширокополосным фокусированным гидрофоном. Применение данногооптимизацииконтрастностиоптико-акустических изображений,метода кполучаемых прииспользовании многоэлементной фокусированной антенной в задаче диагностикиновообразований молочной железы человека.2.

Получение аналитической зависимости пространственного разрешения, обеспечиваемогофокусированнымпьезоприемникомприрегистрацииширокополосныхоптико-акустических импульсов, от геометрических параметров приемника и ширины егочастотной полосы.3. Исследование возможности количественного восстановления распределения тепловыхисточниковвдвумернойоптико-акустическойтомографииприиспользованиимногоэлементной фокусированной антенны.4. Экспериментальноеисследованиевозможностиприменениялазернойоптико-акустической томографии в задачах обнаружения термических разрушений биоткани,вызванныхвоздействиемвысокоинтенсивногофокусированногоультразвука,иизмерения температуры в процессе ультразвуковой терапии.Научная новизна1.

Построенановаячисленнаямодельрасчетаоптико-акустическогосигналаотпроизвольного распределения тепловых источников, индуцированных импульснымлазернымизлучением,регистрируемогодемпфированнымпьезоприемникомкриволинейной формы. Данная модель позволяет разделить влияние частотнойпереходной характеристики приемника и геометрических факторов - конечностиразмеров, кривизны поверхности.2. Предложен и реализован алгоритм, позволяющий восстанавливать распределениетепловых источников в плоскости изображения в абсолютных величинах, в случае еслиформапоглощающихлазерноеизлучениенеоднородностей,находящихсяврассеивающей среде, близка к сферической.3.

Впервые продемонстрирована возможность обнаружения лазерным оптико-акустическимметодомтермическогоразрушениявбиоткани,высокоинтенсивного фокусированного ультразвука.6вызванноговоздействиемПрактическая ценность1. Показано, что использование приемных антенн, состоящих из фокусированныхпьезоэлементов, в двумерной лазерной оптико-акустической томографии позволяетзначительно улучшить пространственное разрешение в направлении, перпендикулярномплоскостиизображения.Установленыпростыеаналитическиезависимости,связывающие пространственное разрешение, обеспечиваемое отдельным элементомантенны,сегогеометрическимипараметрамиичастотнойполосойприема.Использование данных зависимостей значительно облегчает проектирование системрегистрации сигналов в лазерной оптико-акустической томографии.2.

Предложенная в работе численная модель, позволяющая учесть конструкционныеособенности пьезоприемника при расчете зарегистрированного им оптико-акустическогосигнала от произвольного распределения тепловых источников, может применяться дляоценки и оптимизации возможностей лазерной оптико-акустической томографии вразличных биомедицинских приложениях.3. Алгоритм построения двумерного оптико-акустического изображения, предложенный вработе, дает возможность получать количественную информацию о распределениипоглощенной в среде лазерной энергии, что является важным в задачах лазернойдиагностики и терапии биотканей.4. Экспериментально подтверждена применимость и перспективность использованияоптико-акустической томографии в задаче контроля высокоинтенсивной ультразвуковойтерапии опухолей в организме человека.Защищаемые положения:1.

Использование упрощенной методики расчета выходного сигнала демпфированногопьезоприемника, основанной на представлении сигнала в виде свертки вкладов,связанных с формой поверхности приемника и конечностью частотной полосы приема,позволяет вычислить этот сигнал для случая регистрации оптико-акустическогоимпульса,возбуждаемогопроизвольнымраспределениемтепловыхисточников,индуцированных лазерным излучением.2. Поглощающийобъектразмеромвнесколькомиллиметров,соптическимикоэффициентами, характерными для опухолевой ткани молочной железы человека,находящийся в здоровой биоткани на глубине около 2-4 см, может быть визуализированпосредствомдвумернойоптико-акустическойтомографииспространственнымразрешением около 1-2 мм при использовании антенны из пленочных демпфированныхпьезоприемников и выполнении медицинских ограничений на плотность мощностилазерного излучения.

Видность оптико-акустических изображений поглощающих7неоднородностей на фоне изображения рассеивающей среды может быть увеличена до100% посредством низкочастотной фильтрации зарегистрированных сигналов.3. В двумерной оптико-акустической томографии, при использовании фокусированнойантенны, возможно в абсолютных величинах восстановить в плоскости изображенияраспределение тепловых источников, соответствующих поглощающим неоднородностямв рассеивающей среде, если эти неоднородности имеют сферическую форму.Апробация работы и публикацииРезультаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на следующих 14тиконференциях: Biomedical Optics 2003 (San Hose, USA, 2003), студенческой школе “Волны2004” (Звенигород, 2004), международной конференции Общества Электронной ИнженерииIEEE International Symposium on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control 2004(Монреаль, Канада, 2004), международных конференциях по когерентной и нелинейнойоптике ICONO (Санкт-Петербург, 2005, Минск, Белоруссия, 2007), международнойконференции Forum Acusticum 2005 (Будапешт, Венгрия, 2005), международном симпозиумепо терапевтическому ультразвуку 5th ISTU (Бостон, США, 2005), международной летнейшколе “Imaging, Communications and Disorder” (Каржез, Франция, 2006), 4й объединеннойконференции американского и японского акустического общества (Гонолулу, США, 2006),международной конференции по лазерно-информационным технологиям IX ILLA (Болгария,Смолян, 2006), 14й международной конференции по фотоакустическим и фототепловымявлениям 14th ICPPP (Каир, Египет, 2007), 3м российско-финском семинаре Photonics andLaser Symposium (Москва, 2007), международной конференции IEEE International UltrasonicsSymposium (Нью-Йорк, США, 2007), международном конгрессе по ультразвуку ICU-2007(Вена, Австрия, 2007).Основные результаты диссертации изложены в 26 научных публикациях (из них8 статей в научных рецензируемых журналах из списка ВАК, 5 статей в трудах конференций,13 тезисов конференций), список которых приведен в конце автореферата.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.

Объемдиссертации 146 страниц, в том числе 53 рисунка, 4 таблицы. Список литературы включает147 наименований.Личный вклад автораВсе изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты полученыавтором лично, либо при его непосредственном участии.8СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении сформулированы цели и задачи работы. Кратко изложено содержаниедиссертации.Глава 1 посвящена разработке численной модели для расчета ОА сигнала,возбуждаемого произвольным распределением тепловых источников и регистрируемогодемпфированным пьезо-приемником с учетом его конструкционных особенностей.В разделе 1.1 проведен обзор методов диагностики рака молочной железы человека,подробно описаны преимущества и недостатки метода ОА томографии применительно кэтой задаче.

Далее рассматриваются способы регистрации ОА сигналов и конструкциимногоэлементных антенн, предложенные различными группами, обсуждаются преимуществаиспользования антенн, состоящих из фокусированных приемников. Пример такой антенныприведен на рис. 1.Вразделе1.2теоретическииэкспериментальноисследуютсясвойстваширокополосного цилиндрически фокусированного гидрофона, являющегося отдельнымэлементом антенны для ОА томографии – его переходная характеристика, размеры и формафокальной области. Переходная характеристика приемника - это его отклик на сигнал отточечного ОА источника. Временной профиль такого сигнала имеет вид производной от δ функции.